Процессы смесеобразования (стр. 3 из 5)
Обычно в факеле (рис. 6) различают три зоны: сердцевину, среднюю часть и оболочку. Сердцевина состоит из крупных частиц топлива, которые имеют наибольшую скорость движения. Средняя часть факела содержит большое количество мелких частиц, образовавшихся при дроблении передних частиц сердцевины силами аэродинамического сопротивления. Распыленные и потерявшие запас кинетической энергии частицы топлива оттесняются и продолжают движение лишь за счет потока воздуха, увлекаемого попутно факелом. В оболочке находятся наиболее мелкие частицы, имеющие минимальную скорость движения.
Влияние на параметры распыливания топлива и развитие топливного факела оказывают конструкция распылителя, давление впрыскивания, состояние среды, в которую впрыскивается топливо, свойства самого топлива.
Распылители с цилиндрическими сопловыми отверстиями (рис. 7а) могут быть многодырчатыми и однодырчатыми, открытыми и закрытыми (с запорной иглой). Штифтовые распылители (рис. 7б) выполняются только однодырчатыми, закрытого типа. Распылители со встречными струями и с винтовыми завихрителями могут быть только открытыми (рис. 7в, г). Цилиндрические сопловые отверстия обеспечивают получение сравнительно компактных факелов с малыми конусами расширения и большой пробивной способностью.
Рис. 7. Типы распылителей форсунок: а) цилиндрические; б) штифтовые; в) со встречными струями; г) с завихрителями
С увеличением диаметра отверстия d0 соплового отверстия распылителя глубина проникновения факела возрастает. Распылитель открытого типа без запирающейся иглы характеризуется менее качественным распыливанием, чем закрытый, и для впрыскивания топлива в КС дизелей не применяется. У штифтовых распылителей факел имеет форму полого конуса. Это улучшает распределение топлива в воздушной среде, но уменьшает пробивную способность факела.
С увеличением давления впрыскивания длина факела возрастает, тонкость и равномерность распыливания улучшается. При повышении нагрузки двигателя и частоты вращения n улучшается качество распыливания.
Состояние среды (рабочего тела) внутри цилиндра дизеля существенно влияет на процесс смесеобразования. С повышением давления в КС, обычно в пределах 2,5¸5,0 МПа, увеличивается сопротивление продвижению факела, что приводит к уменьшению его длины. При этом качество распыливания изменяется незначительно. Возрастание температуры воздуха в пределах 750…1000 К приводит к снижению длины факела вследствие более интенсивного испарения частиц топлива. Движение среды в цилиндре положительно влияет на равномерность распределения топлива в факеле и в объеме камеры сгорания. Повышение температуры топлива приводит к уменьшению длины факела и более тонкому распыливанию, что обусловлено снижением вязкости нагретого топлива. Более тяжелые топлива, имеющие большие плотность и вязкость, естественно, при прочих одинаковых условиях распыливаются хуже, чем легкие автотракторные топлива.
Прогрев, испарение и смешивание. Распыленные частицы топлива, находящиеся в среде горячего воздуха, быстро нагреваются и испаряются. Более интенсивно этот процесс протекает для распыленных частиц, имеющих наибольшее отношение площади поверхности к объему. Практика показывает, что частицы диаметром 10¸20 мкм в камере сгорания успевают полностью испариться за время (0,5¸0,9)-10-3 с, т.е. до начала воспламенения. Испарение более крупных частиц заканчивается в ходе начавшегося процесса сгорания.
Концентрация паров вокруг еще не испарившихся капель переменна. Она максимальна у их поверхности и непрерывно убывает по мере удаления в стороны. Как отмечено выше, местные значения коэффициента избытка воздуха изменяются в очень широких пределах. Движение частиц относительно воздуха несколько выравнивает распределение топлива в микросмеси, т.к. часть образующихся паров рассеивается по траектории движения частиц. Смешивание топлива и воздуха частично происходит внутри факела, что обусловлено вовлечением воздуха в сердцевину факела в процессе его формирования. Но большая концентрация топлива в сердцевине и менее благоприятные температурные условия значительно замедляют процесс испарения в этой зоне. Изложенное выше характеризует процесс смесеобразования той части топлива, которая поступила в цилиндр до начала воспламенения. В дальнейшем смесеобразование остальной части топлива значительно ускоряется, т.к. оно протекает в условиях начавшегося процесса горения при более высоких температурах и давлениях. Качество горючей смеси значительно определяется скоростью перемешивания топлива с воздухом. Существенное влияние на рабочие процессы в КС оказывает смесеобразо-вание части топлива, поступившей в камеру в начале впрыскивания. В ходе предпламенных химических реакций в отдельных зонах мик-росмеси возникает критическая концентрация промежуточных продуктов окисления, что приводит к тепловому взрыву и появлению первичных очагов пламени. Наиболее вероятной зоной появления таких очагов является пространство около испаряющихся частиц, где концентрация паров топлива оптимальна (α = 0,8-0,9). Первичные очаги пламени, прежде всего, образуются на периферии факела, т.к. физические и химические процессы подготовки топлива к сгоранию заканчиваются здесь раньше.
2.2 Способы смесеобразования. Типы камер сгорания
Распределение топлива по КС осуществляется за счет кинетических энергий топлива и движущегося воздушного заряда. Соотношение этих энергий обусловлено способом смесеобразования и формой КС. В современных автомобильных дизелях нашли применение объемное, пристеночное (пленочное), комбинированное, предкамерное и вихревое смесеобразования. КС в сочетании с топливоподающей аппаратурой определяют условия протекания процессов смесеобразования и сгорания. Камеры сгорания предназначены обеспечивать:
– полное сгорание топлива при минимально возможном коэффициенте a и в предельно короткий срок у ВМТ;
– плавное нарастание давления при сгорании и допустимые значения максимального давления цикла рz;
– минимальные потери теплоты в стенки;
– приемлемые условия работы топливной аппаратуры.
Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается в объеме однополостных (неразделенных) камер сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Такие КС имеют малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной – отношением диаметра КС к диаметру цилиндра: dкс/D = 0,75¸0,85. Такая КС располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, КС и цилиндра совпадают (рис. 8б).
Рабочий цикл дизелей с объемным смесеобразованием характеризуется следующими особенностями:
– смесеобразование обеспечивается путем мелкого распыливания топлива при высоких максимальных давлениях впрыскивания (рвпрmах=50¸150 МПа), турбулизация в КС возникает вследствие вытеснения воздуха из зазора между буртом поршня и головкой цилиндра при подходе поршня к ВМТ;
– равномерное распределение топлива в воздухе обеспечивается посредством взаимного согласования формы КС с формой и расположением топливных факелов;
– протекание процесса сгорания на номинальном режиме осуществляется при α = 1,50-1,6 и более, т.к. в результате неравномерного распределения топлива по объему КС при меньшем α не удается обеспечить бездымного сгорания, несмотря на согласование форм камеры и факелов, а также применения высокого давления впрыскивания;
– рабочий цикл характеризуется высокими максимальными давлениями сгорания рzи большими скоростями нарастания давления Δр/Δφ;
– двигатели с объемным смесеобразованием имеют высокий индикаторный к.п.д. из-за сравнительно быстрого сгорания топлива у ВМТ и меньших потерь теплоты в стенки КС, а также хорошие пусковые качества.
Важное значение имеет поверхность топливных струй, через которую происходит диффузия паров топлива в окружающий воздух. Угол рассеивания топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха число распыливающих отверстий форсунки теоретически должно быть ic=360/20 = 18.
Величина проходного сечения распыливающих отверстий fcопределяется типом и размерами дизеля, условиями перед впускными органами. Она существенно влияет на продолжительность и давление впрыскивания, ограничена условиями обеспечения хорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом количестве распыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим. Чем меньше количество распыливающих отверстий, тем более интенсивно приводится во вращательное движение для полного сгорания топлива воздух, т.к. в этом случае заряд за характерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительности впрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Это достигается применением винтового или тангенциального впускного каналов.
Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к ухудшению наполнения цилиндров воздухом. Увеличение максимального значения тангенциальной скорости
tmax вызывает уменьшение 
v (рис. 9). Пристеночное смесеобразование. Способ смесеобразования, при котором топливо подается на стенку камеры сгорания и растекается по ее поверхности в виде тонкой пленки толщиной 12¸14 мкм, получил название пристеночного или пленочного.